[論文レビュー] Mono-enriched stars and Galactic chemical evolution -- Possible biases in observations and theory

C. J. Hansen, Andreas Koch+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 138被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、PEPSI分光法を用いて14個の金属不足星の高精度で3次元的非局所熱平衡（non-LTE）補正を施した元素組成パターンを提示し、最初の星の性質および銀河系化学進化を再評価する。BD+09_2190は、19.2 M⊙の第3星族（Pop III）超新星から発生したとされる真の第二世代・単一元素増幅星であることが判明し、3次元的および非局所熱平衡効果を無視すると、推定される前身星質量やエネルギーに顕著なバイアスが生じることを示している。

ABSTRACT

A long sought after goal using chemical abundance patterns derived from metal-poor stars is to understand the Galactic chemical evolution (GCE) and to pin down the nature of the first stars (Pop III). Here, we use a sample of 14 metal-poor stars observed with the high-resolution spectrograph PEPSI at the LBT to derive abundances of 32 elements (34 including limits). We present well-sampled abundance patterns for all stars obtained using local thermodynamic equilibrium (LTE) radiative transfer codes and 1D hydrostatic model atmospheres. It is currently well known that the assumptions of 1D and LTE may hide several issues, thereby introducing biases in our interpretation as to the nature of the first stars and the GCE. Hence, we use non-LTE (NLTE) and correct the abundances using 3D model atmospheres to present a physically more reliable pattern. In order to infer the nature of the first stars, we compare unevolved, cool stars, enriched by a single event (`mono-enriched'), with a set of yield predictions to pin down the mass and energy of the Pop III progenitor. To date, only few bona fide second generation mono-enriched stars are known. A simple x^2-fit may bias our inferred mass and energy just as much as the simple 1D LTE abundance pattern, and we thus carried out our study with an improved fitting technique considering dilution and mixing. Our sample presents Carbon Enhanced Metal-Poor (CEMP) stars, some of which are promising true second generation (mono-enriched) stars. The unevolved, dwarf BD+09_2190 shows a mono-enriched signature which, combined with kinematical data, indicates that it moves in the outer halo and likely has been accreted onto the Milky Way early on. The Pop III progenitor was likely of 25.5M and 0.6 10^51erg (foe)/19.2M and 1.5foe in LTE/NLTE. Finally, we explore the predominant donor and formation site of the rapid and slow neutron-capture elements. Abridged

研究の動機と目的

• 1D LTE仮定が単一元素増幅星における第3星族（Pop III）前身星質量および爆発エネルギーの推定に与える影響を評価すること。
• 3次元的および非局所熱平衡（NLTE）補正が銀河系化学進化の解釈に与える影響を、元素組成パターンの変化を踏まえて評価すること。
• 制限付き希釈モデルを用いて、CEMP星における単一元素増幅仮説を検証すること。
• 運動学的および化学的データを用いて、金属不足星におけるs過程およびr過程元素の主な供給源を特定すること。
• 希釈制約付きフィッティングと多次元的モデル大気を組み込むことで、生成物の物理的信頼性を向上させること。

提案手法

• 大型望遠鏡を用いた高分解能PEPSI分光法を用い、14個の金属不足星における32元素（34個の上限値を含む）の組成を導出。
• 基準として1次元的（1D）LTE放射移動計算に平面平行モデル大気を適用し、その後、高度な原子データを用いて3次元的流体力学的補正および非局所熱平衡（NLTE）効果を補正。
• 第二世代星における混合および希釈を考慮するため、希釈制約付きフィッティング手法を導入し、質量およびエネルギー推定値の改善を図った。
• 理論的生成物予測（第3星族およびAGB星）と観測組成パターンを、物理的制約を加えたχ²最適化フィッティングで比較。
• ガウスや径速度から得られる運動学的データと化学的パターンを統合し、吸収歴史およびハロー起源を追跡。
• 3次元的および非局所熱平衡（NLTE）補正におけるC、O、Feを主要 tracer として用い、標準的な1次元的LTE解析における系統的バイアスを評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元的および非局所熱平衡（NLTE）補正は、単一元素増幅星における第3星族超新星の推定質量および爆発エネルギーにどのように影響を与えるか？
• RQ2 制約なしのフィッティング手法と希釈制約付きフィッティング手法を比較した場合、最初の星の質量関数（IMF）の推定にどの程度バイアスが生じるか？
• RQ3 サンプル内のどの星が真の第二世代・単一元素増幅星であり、その起源は何か？
• RQ4 TYC5481-00786-1のような金属不足CEMP-s星におけるs過程元素の主な寄与源は何か？
• RQ5 BD-10_3742のような星におけるr過程寄与の性質は何か？また、『金属不足太陽』HD20と比較してどう異なるか？

主な発見

• BD+09_2190は、初期に銀河系に吸収されたと示唆される運動学的特徴を持つ、確認された真の第二世代・単一元素増幅星である。
• LTE解析では、BD+09_2190の第3星族前身星は25.5 M⊙、0.6 foeと推定されたが、NLTE補正では質量は19.2 M⊙に低下し、エネルギーは1.5 foeに増加した。
• 3次元的および非局所熱平衡（NLTE）補正により、C、O、Feの組成パターンに顕著な変化が生じ、1次元的LTEモデルでは系統的バイアスが生じることを示している。
• 2MASS J0023というCEMP-no星は、採用した生成物モデル下では単一元素増幅仮説を支持せず、真の第二世代星とは見なせない。
• TYC5481-00786-1は、中程度質量で金属豊富なAGB星からの増幅を示唆する有望なCEMP-sパターンを示している。
• BD-10_3742は、ほぼ純粋なr過程パターンを示し、ベンチマーク星HD20と密接に一致しており、そのr過程トレーサーとしての役割が確認された。